基于径流污染控制的海绵城市系统方案研究

文｜上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 刘明明

0 引言

临港主城区由“一湖七射四涟”的水系网络构建出“滴水涟漪”的城市风貌，射河、涟河作为主城区排涝河道，收集地表径流后最终汇入滴水湖。本文首先对研究区域河道水环境容量进行计算，并对区域中产生的污染物总量进行分析，开展以污染控制为目标的海绵城市建设方案，最终提出源头减排和末端治理的污染控制策略。

1 水质目标及水环境容量

1.1 区域概况和水质目标

临港金融总部湾位于主城区滴水湖正北侧，北至环湖北二路，西至青样港，南至环湖北一路，东至蓝云港，总用地面积为46.53 公顷，共18 个地块，形成东九宫格和西九宫格布局。主城区“一湖七射四涟”的水系网络形成相对独立的圩区，水功能区水质目标为地表IV 类水。

1.2 水环境容量模型概化及计算

水环境容量计算方法包括公式法、模型试错法、系统最优法、概率稀释模型法、未确知数学法五大类。针对区域特点和资料情况，本次研究采用公式法计算，应用零维模型对主要水质指标（COD、氨氮、总磷）的环境容量进行估算。

式中：

Q0为河道上游来水量，m3/s；

Cs为污染物控制标准浓度，mg/l；

C0为污染物环境本底浓度，mg/l；

k 为综合降解系数，1/d；

V 为水环境体积容量，m3；

q 为排污流量，m3/s。

目标水质Cs取地表Ⅳ类水标准；上游水质C0，根据2019年-2020年临港地区水质监测数据，1月-12月平均水质IV 类水达标率为95%，部分河道存在季节性面源污染，如青祥港在2019年5月-6月高锰酸盐和总磷超标，为确保研究区域稳定达到IV 类水目标，上游水质分别按照IV 类和V类两种工况计算；综合降解系数k，参考相关报告及文献，COD 为0.1（1/d），氨氮为0.08（1/d），总磷为0.08（1/d）。根据上述参数对模型进行概化，同时实际情况下水环境自净能力低于理论，取0.8 的安全系数，具体计算结果如表1。

表1 水环境容量计算表

根据表1 计算分析，研究区域水环境较为脆弱，在部分月份受上游客水影响，水环境容量为负，不具备消纳雨水径流污染的能力。因此制定区域海绵城市系统方案时，应考虑在雨水排入河道之前通过系统性措施将雨水中的污染物削减，达到IV类水标准后排放；同时构建河道生态系统，强化河道自身净化能力。

2 污染物排放分析及计算

本次研究范围属于城市整体更新，排水系统完全按照雨污分流建设，污水管网全覆盖、全收集，因此无点源污染。区域开发建设后，主要污染物来自初期雨水径流，通过2019年7月和8月两场降雨期间对临港地区径流雨水水质进行检测，不同下垫面雨水径流污染物指数见表2。

表2 下垫面雨水径流污染指数

以雨水排放口IV 类水（TSS 以削减率55%计）为海绵城市建设污染控制目标，通过源头减排和末端治理，在陆域空间内每年需削减TSS 总量40.18 吨，COD 总量44.57吨，氨氮总量0.03吨，总磷总量0.07吨。

研究区域面源污染总量计算见表3。

表3 污染物总量计算表

3 污染物控制策略及计算

3.1 海绵城市建设系统方案

临港金融总部湾海绵城市建设以径流污染控制为核心目标，小海绵、大海绵有机结合、绿色设施、灰色设施因地制宜，形成源头控制、过程调蓄与末端处理相融合的系统性建设方案。

图1 研究区域海绵城市建设总体技术路线

根据技术路线，研究区域雨水径流过程中的污染物控制包括源头削减和末端削减。源头削减是指地块、市政道路和公园绿地雨水的就地消纳。末端削减是利用雨水排放口附近的滨河空间，结合岸线景观在排放口附近布置人工湿地，并配套建设地下调蓄池，用于初期雨水的滞留调节。

3.2 污染物削减计算

根据第2 节污染物总量和允许排放量，计算各类污染物削减率，公式为：

f=P削减/P总量

式中：f 为削减率，P削减=P总量-P允许；

根据上式，计算出污染物削减率分别为：TSS 削减55%，COD 削减81%，氨氮削减5%，总磷削减40%。由此可见，研究区域内水环境质量对COD 最为敏感，因此选择以COD 为特征污染物计算海绵城市设施规模。

陆域COD 控制措施包括源头削减和末端削减，即PCOD削减=P源头+P末端，根据第2节计算PCOD削减=44.57 吨/年。

根据海绵城市建设目标和区域特点，从系统治理角度出发，针对污染物迁移特点，在时间、空间上合理分配源头削减量和末端削减量。本项目源头COD 削减量根据下式计算确定。

P源头=p×c×W

式中：

p 为年径流总量控制率，80%；

c 为LID 设施对COD 的去除率；

W 为源头下垫面雨水径流中COD 总量，根据第2 节计算W = 54.69 t/a；

陈言菲通过SWMM 模型模拟分析了不同LID 设施雨水径流和污染物输出情况，结果表明在P=1a 情形下，绿色屋顶、渗透性铺装、生物滞留池对COD 去除率分别为55.43%、47.92%和52.46%。由于绿色屋顶在下垫面中占比较少，本次研究中LID 设施对COD 去除率取c=50%。因此，根据上式得出源头COD 削减量为21.88t/a。

针对河道雨水排放口附近的用地情况，在管网末端增加智能截流井，在降雨初期将未通过海绵设施控制的初期雨水截流排入调蓄池，达到调蓄水位后关闭截污阀，后期雨水排入河道，雨后调蓄池内雨水缓排入人工湿地净化处理。人工湿地采用污染负荷较高、卫生景观条件较好的水平潜流人工湿地，人工湿地面积根据污染负荷计算。

A=P末端/（qos×0.365）

式中：

A 为人工湿地面积，m2

qos为表面有机负荷，0.025kg/(m2·d)

P末端为末端COD削减量，P末端=PCOD削减-P源头=44.57-21.88=22.69t/a

根据计算，研究区域在雨水排放口需建设2486m2人工湿地，作为雨水径流污染的末端治理措施，人工湿地可根据排口位置、用地条件和水量情况分散建设。

4 结论

本文以临港金融总部湾为例，对河道水系进行概化并计算区域内水环境容量。当上游水质为IV 类水时，COD 环境容量为31.6 吨/年，氨氮环境容量为1.27 吨/年，总磷的环境容量为0.25 吨/年；当上游水质为V 类水时，水体环境容量为负。

对污染物排放总量进行分析，污染物类型主要为雨水面源污染，估算总量TSS为73.06 吨/年，COD 为54.69 吨/年，氨氮为0.54 吨/年，总磷为0.17 吨/年。

最后制定了海绵城市建设总体技术路线，确定了源头减排和末端治理的污染物控制策略，并分别计算源头LID 设施和末端人工湿地对污染物的削减量，确定了满足污染物总量控制要求的相关设施规模。